Aujourd'hui Détecteurs de trace vus Détecteurs de neutres

1Détecteurs

Henri Videau hiver 2008

Détecteurs de trace vus

Détecteurs de neutres

Concevoir un détecteur global

Aujourd'hui

Détecteurspartie II

2Détecteurs


Calorimètres

voir http://llr.in2p3.fr/~videau/Ecole_de_Monschau

Voir les neutres:

3Détecteurs


Les buts de la calorimètrie

Mesurer les neutres

électromagnétique : γ hadronique : neutrons, K0

l

Mesurer l'énergie des électrons

Identifier les leptons, électrons et muons, taus

Mesurer l'énergie des hadrons chargés

L'énergie d'un muon n'est connue que par le trajectomètreUA2 D0

Mesurer les jets "energy flow"Global method / analytic

4Détecteurs


Le principe

γ : conversion en paire par interaction électromagnétique

Hadrons neutres : interaction forteNeutrinos : interaction faible (courant chargé)

On doit fournirmatière avec laquelle interagir (radiateur)un milieu sensible aux traces chargées (détecteur)

Radiateur et détecteur peuvent être le même milieu:

calorimètre homogèneRadiateur et détecteur peuvent être entrelacés,

calorimètre à échantillonage

Puis on mesure les traces chargées

Pour mesurer un neutre convertissons le en chargé

5Détecteurs


Les neutres..

on les transforme en chargés

Conversiond'un photonsur le détecteurde vertex.ALEPH

Le cas le plus simple: une paroi suivie d'un détecteur de chargés dans un champ magnétique

6Détecteurs


ALEPH

Ks0 K

L0

1 trace issue du point d'interaction1 vertex de désintégration K0

s

3 traces se propageant dans la TPCinteractions dans le calo elmgninteraction en arbre dans le HCAL K0

L

7Détecteurs


ILC. Détecteur LDCe e− Z H

Z

Hbb

8Détecteurs


Dépôt d'énergie par des photons

Section efficace des photons en fonctionde leur énergie

seuil de créationde paires: 2 x 511 keV

9Détecteurs


Calorimètres

électromagnétiques

Principe

Principaux processus dans une gerbe électromagnétique

Bremsstrahlung Création de pairesMais aussi

A basse énergie (< 2 GeV )

Compton

Effet photoélectrique

A haute énergie au niveau de 10-4

Création de paires de muonsde paires de pions

10Détecteurs


Notion de longueur de radiation, et de longueur d'interactionDans un domaine d'énergie, la probabilité d'interaction dans un intervalle dx donnéest essentiellement indépendante de l'énergie (loi exponentielle), on peut donc définir la longueur caractéristique d'interaction

Contribution to the cross section γ Carbon in barns/atom π+ p and π- p cross sections

11Détecteurs


Extrait de Rossi

Electron showering on lead platesin a Wilson chamber (1949)

Calorimètres

Electron gerbant sur des plaquesde plomb dans une chambre deWilson (1949)

12Détecteurs


ALEPH

Profil en profondeurde l'énergie déposée par un électron de 45 GeV.

Un électron de 45 GEV

Paramétrage:

ze− z

Energie déposéedans chacune des 45 couchesactives du calorimètreélectromagnétique.

Caractérisation longitudinale de la gerbelongueur de radiation

13Détecteurs


Caractérisation transverse de la gerberayon de Molière

La structure transverse est indépendante de l'énergie

Rayon de Molière: rayon du cylindre contenant 90% de l'énergie.varie comme l'inverse de la densité

14Détecteurs


Calorimètres

hadroniques

Processus beaucoup plus complexes

Source principale de fluctuation:réponse différente

aux particules électromagnétiques, γ, eet aux particules hadroniques, p, K, π

fraction de π0 (e/h)

15Détecteurs


Comment on estime l'énergie:

en décomptant la longueur de trace chargée générée

EE =

E

Processus stochastique: N=N Termes:γ intercalibrationα stochastiqueβ bruit

estimée, échantillonée par le nombre de photons

ou d'électronsproduits

EE

= ⊕

E⊕

E

16Détecteurs


Différents types de calorimètresHomogènes /hétérogènes ou "à échantillonage"

mesure par

ScintillationCerenkov

collection de lumière collection d'électrons (trous)Ionisation

création de paires e-h

Cristaux Na I, Cs I, BGO, PbWO4

Gaz nobles (liq)

Verre au plombEauAir

GazGaz nobles (liq)

Ge

Calorimètressuite

17Détecteurs


Calorimètres à échantillonage(sampling)

Radiateurs pour l'électromagnétique (Z élevé):

Plomb Pb, Uranium U, Tungstène W

attention aux propriétés physiques mais aussi mécaniques !

Détecteurs similaires pour les deux: scintillateurs,

lumière Cerenkov (H1 lumi), chambres à ionisation, argon liquide, liquides chauds,

chambres à gaz en différents modes (prop, streamer, Geiger), détecteurs silicium.

pour l'hadronique (bon marché, bon mécaniquement)fer (retour de champ), inox (dans un champ), cuivre plomb, tungstène, uranium?

Calorimètressuite

h/e

l'énergie hadronique échappesous forme de fission de noyaux,neutrons de basse énergie

18Détecteurs


Material Z λI

dE/dx density X0

cm MeV/cm g/cm3 cmIron Fe 26 16.8 11.4 7.87 1.76Tantalum Ta 73 11.9 16.7 0.41Tungsten W 74 9.6 22.1 19.3 0.35Lead Pb 82 17.1 12.7 11.35 0.56Uranium U 92 10.5 20.5 19. 0.32

Argon (liq) A 18 83.7 2.13 1.4 14.Air 74380 2.2 10-3 1.21 10-3 30300Silicium Si 14 45.5 3.87 2.33 9.36

Forte dépendance avec la densité

Propriétés physiques des radiateurs

19Détecteurs


Propriétés physiques des radiateurs

Material Z λI /X

0dE/dx × X

0X

0

MeV cmIron Fe 26 9.5 20.1 1.76Tungsten W 74 27.4 7.7 0.35Lead Pb 82 30.5 7.1 0.56Uranium U 92 32.8 6.7 0.32

Argon (liq) A 18 6.0 29.8 14.Air 2.5 66.7 30300Silicium Si 14 4.86 36.2 9.36

Remarks:strong dependence on density (obvious)energy loss in one interaction length almost constantlarge variations of dE/dx in one radiation length large variations of λ

Ι / X

0 with Z

20Détecteurs


Gas / scintillator as detecting medium10 GeV electrons electron hit cells positron hit cells

Geant4 simulation

Gas

Scintillator

21Détecteurs


Performances

Résolution en énergie

Précision en position

Précision angulaire

Séparation entre gerbes

Electron/pion identification

Muon/pion identification

Dommages dus aux radiations

Et ce pour photons, hadrons, jetsisolés, en jets

LinéaritéOrigine des fluctuations

Calorimètressuite

22Détecteurs


Luminomètre de H1

23Détecteurs


Examples of large calorimeters

Low energy machines CLEO, BaBar crystal Cs I, ∼ no HCAL

Tevatron D0 U-liq. A CDF scintillator

CMS PbWO4, Fe-scintillatorLHCATLAS Pb-liq. A, Fe-scintillator

LEPOPAL lead glass, Fe-w.ch. L3 BGOALEPH, DELPHI Pb/Fe-wire chambers sandwich

SLC SLD Pb/Fe-liq.A

HERA H1 Pb/Fe-liq.A ZEUS U-scint.

Calorimètressuite

24Détecteurs


Un calorimètre W-Si pour un collisioneur linéaire à électrons

De nombreux jets de particules serrées ⇒forte densité du calorimètre ⇒

radiateur dense W, détecteur compact Si

Motif

Détecteur silicium (semiconducteur)L'énergie déposée par la charge crée des pairesélectron-trou qui dérivent dans le champ électrique

he+

−

Principe

Le calorimètre est mince: 24X

0 pour ~20 cm en 40 couches

Les gerbes sont étroites RM ~ 1cm

On peut intégrer beaucoup de canaux de lecture, 32M

extrême granularité

Très bonne efficacité de reconstructiondes photons dans un environnement chargé

Les détecteurs au Si sont compacts:car ~ 100 paires par µ épaisseur ~ 500 µ 50000 paires

25Détecteurs


Concevoir un détecteur

à une certaine physique

sur un certain accélérateur/collisionneure+e- , pp ?

Comme un tout adapté

Identifier les spécifications et contraintes provenant de

La physique,la technologie,

les ressources disponiblesla sociologie,

la politique.

26Détecteurs


Cinématique des collisions

faisceaux de même nature (particules ou antiparticules)? pp ou ee versus ep

faisceaux de même énergie?collisions bille en tête ou à petit angle?

collisionneur circulaire ou linéaire?si collisions entre antiparticules

partons?

27Détecteurs



BaBar, énergies des faisceauxdifférentes pour voir le vertex

des B.

dans le CM, LEPe e− f f

dd cos

∝ 1cos2

e e−bbcollisionneurs circulaires e+ e-

énergies de faisceaux égales

la longueur du vecteur est proportionnelle à la section efficace

détecteur « symétrique » en phi et en z

détecteur asymétrique en z

28Détecteurs


Collisions p p

Les protons sont composites: quarks + gluons = partonsLe laboratoire n'est pas le CM de l'interaction

Les partons ont une certaine distribution en impulsion

Distribution de l'impulsion du CM

Pour le détecteur, la multiplicité de traces est largement plate en rapidité

29Détecteurs


Significationmouvement de l'origine du système ' dans le laboratoire :

dans le système ' :

⇒ et par définition et

RapiditéConserver ⇒ =

η est la rapidité

Additivité des rapidités

=

z2 −t2 cosh −sinh −sinh cosh t '

z ' tz

cosh 1 −sinh 1−sinh 1 cosh 1 cosh 2 −sinh 2

−sinh 2 cosh 2 cosh 1 2 −sinh 1 2−sinh 1 2 cosh 1 2

z= tz '=0 =cosh z−sinh t

=th=ch = 1

1 − ² =sh =

1 − ²

30Détecteurs


Passage dans le système où une particule de masse et vitesse est au repos

E , p

m ,

Son quadrivecteur énergie-impulsion est

avec p=m , E=m

On passe dans le système où elle est au repos par une transformation de Lorentz de paramètres

= pE , = E

m , = pm

31Détecteurs


On considère souvent la transformation selon l'axe Ozqui fait passer dans le système où la projection de l'impulsionde la particule sur Oz s'annule

La rapidité de cette transformation couramment notée « y »est appelée rapidité de la particule: y=th−1 z

Dans un « boost » le long de Oz, la rapidité des particules est translatéepar la rapidité du boost (additivité des rapidités).La distribution en rapidité est donc invariante dans un boost.

Si la masse est négligeable

y=th−1 pz

p =th−1 cos=ln tg 2

dy= 1 sin

d

32Détecteurs


En collisions ppdistribution plate avecla pseudo-rapidité


To match well the transverse sizeof the cells to the shower

In φ, take a constant dφ

In θ, take a constant ε

Recalling that the rapidity y is such that:

Constant rapidity intervals

Crystals Towers

= Rsin

d

cos=tanh y

=d y

zk=sinh k y0

Cells in the barrel for a projective geometry

33Détecteurs


ALEPHun détecteurdu LEP

34Détecteurs


Collisionse± p30 GeV / 800

Un détecteur asymétrique: H1

35Détecteurs


Concevoir un détecteur

Schéma classique pour un collisionneur

Un oignon centré sur le point de collision

baigné dans un champ magnétique axial (solénoïde)

Détecteur de traces

Détecteur de vertex siliciumDétecteur central gaz silicium

Calorimètre

ElectromagnétiqueHadronique

Chambres à muons

Bobine, valeur du champ, 1-4Tforme, solénoïde?

longueur, rayon

36Détecteurs


Une symétrie de révolution:un baril et deux bouchonsbrisée sur une symétried'ordre 6, 8 ou 12

TESLA Conceptual drawing

Yoke 4T Coil HCAL

ECAL TPC

Masks

IT

37Détecteurs


ALEPHun détecteurdu LEP

38Détecteurs


Au centre les détecteurs de traces chargées

Tube à vide: 1 à 2 cm de rayon (bdf)Détecteur de vertex au plus près

excellente résolution ~10µquelques couches de Si

Large détecteur de tracesmesure de l'impulsion, pattern

points nombreux / précis (100µ)Un intermédiaire possible

39Détecteurs


40Détecteurs


ALEPHdétecteur de vertexintermédiaireTPC

Remarque: K0s

41Détecteurs


Autour du trajectomètrele calorimètre

Où placer la bobine?

Retour de champdétecteur à muons?

42Détecteurs


ALEPHPion traversantle ECALpour interagirdans le HCAL

43Détecteurs


e e− W W−

W− qq

W e

q jets

ALEPH

Jets

44Détecteurs


Jets à l'ILC

Large Detector Concept

45Détecteurs


Pour une présentation plus complète: http://polywww.in2p3.fr/~videau/Lineaire/event_gallery/

46Détecteurs


47Détecteurs


48Détecteurs


Vue de CMS

49Détecteurs


Un détecteur pour l'ILC

50Détecteurs


Un détecteur pour l'ILC

ILC :InternationalLinear Collider

51Détecteurs


Retour de champdétecteur de mus

Bobine 4TPôleBouchon HcalBaril HcalBouchon EcalBaril Ecal

Mise en place de la coquille calorimétrique

52Détecteurs


Détecteurs de trace

Forward chambersTPCSITForward disksDétecteur de vertexTube à vide

53Détecteurs


54Détecteurs


55Détecteurs


Fin des détecteurs

56Détecteurs


Un beau plot d'événement d'ALEPH

57Détecteurs


Collisionse± p30 GeV / 800

Un détecteur asymétrique: H1

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